（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

隨著中國制造2025的推動，以及工業(yè)4.0、智能制造的持續(xù)發(fā)展，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線正朝著智能化、信息化的制造模式不斷轉(zhuǎn)型[1]。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線作為飛機(jī)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證飛機(jī)制造高質(zhì)量、高效率的重要保障。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計是以產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)周期、目標(biāo)成本等為主要依據(jù)，基于飛機(jī)裝配流程和生產(chǎn)組織，通過分析與計算，合理劃分工藝分離面，實現(xiàn)飛機(jī)裝配工藝流程、站位布局、工藝裝備、人員配置及生產(chǎn)作業(yè)形式等的規(guī)劃設(shè)計[2]。在設(shè)計新的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線或?qū)ΜF(xiàn)有飛機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整時，僅依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗、技能和定性分析，通常難以識別和解決設(shè)計過程中存在的缺陷或瓶頸，從而導(dǎo)致設(shè)計方案不完善、定量準(zhǔn)確性差，需要在方案實施中進(jìn)行補(bǔ)充修訂以適應(yīng)實際運行[3]。因此，先進(jìn)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方式對于提高飛機(jī)裝配效率，快速適應(yīng)市場需求，降低飛機(jī)裝配成本等具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，以及基于模型定義（MBD）等數(shù)據(jù)表達(dá)技術(shù)的日趨成熟，為數(shù)字孿生技術(shù)提供了有效的基礎(chǔ)支撐?；贛BD技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。數(shù)字孿生作為MBD的擴(kuò)展和延伸，使數(shù)字化設(shè)計技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段。近年來，數(shù)字孿生成為智能制造領(lǐng)域的研究熱點，被認(rèn)為是實現(xiàn)智能工廠的新手段和重要技術(shù)支撐[4–5]。數(shù)字孿生的概念最早由Michael Grieves教授于2003年提出，近年在數(shù)字車間的應(yīng)用和構(gòu)建中得到了很多研究，如陶飛等[6]提出數(shù)字孿生車間的概念和參考系統(tǒng)架構(gòu)，通過物理實體和虛擬模型的結(jié)合，突破物理空間和信息空間之間的瓶頸。Zhuang 等[7]提出了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間智能生產(chǎn)管理和控制方法框架，并在衛(wèi)星裝配車間進(jìn)行驗證。對于數(shù)字孿生在設(shè)計中的應(yīng)用，西門子公司認(rèn)為數(shù)字孿生可以在物理原型和投資之前模擬、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。莊存波等[9]認(rèn)為產(chǎn)品數(shù)字孿生支持在產(chǎn)品設(shè)計階段就通過建模、仿真及優(yōu)化手段來分析產(chǎn)品的可制造性，同時還支持產(chǎn)品性能和產(chǎn)品功能的測試與驗證。趙敏等[10]認(rèn)為數(shù)字孿生模型可以與實物模型高度相像，而不是簡單的一對一的對應(yīng)關(guān)系，可能存在“零對一”等多種對應(yīng)關(guān)系，即人類憑想象和創(chuàng)意在數(shù)字空間創(chuàng)造的“數(shù)字虛體”，現(xiàn)實中沒有與其對應(yīng)的“物理實體”（如數(shù)字創(chuàng)意中的各種形象）。Guo 等[11]認(rèn)為數(shù)字孿生可以建立虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)線、機(jī)床、機(jī)器手等生產(chǎn)環(huán)境，由此發(fā)現(xiàn)設(shè)計中隱藏的缺陷，并提出了解決方案。

在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計中引入數(shù)字孿生技術(shù)可以有效幫助設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的潛在問題，并建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計與運行的交互環(huán)境和載體，對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行實時、精確的仿真分析，從而提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計的質(zhì)量和性能。因此，本文面向數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計與應(yīng)用，首先對當(dāng)前飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法進(jìn)行分析，結(jié)合先進(jìn)總結(jié)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的特點與需求，提出數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法，并以設(shè)計知識庫支撐數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的建模和仿真分析，以提高數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模的效率；最后以某飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計為例進(jìn)行驗證，提高了設(shè)計方案的質(zhì)量和性能。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計過程分析

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線是飛機(jī)制造系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)計的合理性直接決定生產(chǎn)物流是否流暢、成本是否合理、生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足要求以及企業(yè)能否獲得最大的效益等[12]。由于飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝類型復(fù)雜，在裝配過程所需物料及相應(yīng)的工具、量具、工裝種類繁多、數(shù)量巨大、裝配周期耗時久[13]。因此，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計需要考慮的因素眾多，如何得到合理優(yōu)化的設(shè)計方案是核心難題。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計通過接收客戶需求，依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗直接在二維平面進(jìn)行規(guī)劃，并通過主觀經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)問題和改進(jìn)，如圖1所示。設(shè)計方案的質(zhì)量主要取決于設(shè)計人員的經(jīng)驗和技能水平，通常難以定量準(zhǔn)確、可視化地進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的運行過程分析。因此，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計中主要存在以下挑戰(zhàn)[14]：一是如何在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計階段能夠直觀表達(dá)設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果，并且能夠定量考慮整個飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的合理性；二是如何利用先進(jìn)技術(shù)（如數(shù)字孿生等）以及設(shè)計知識進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計的準(zhǔn)確、高效建模；三是如何幫助設(shè)計人員對設(shè)計方案進(jìn)行可視化的定量仿真驗證，來不斷優(yōu)化飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方案，以提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計質(zhì)量。

數(shù)字孿生技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息拓展到整個生命周期的技術(shù)，能夠幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步監(jiān)控和控制整個生產(chǎn)流程，實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計中，虛擬飛機(jī)裝配生產(chǎn)線和設(shè)計需求形成一對虛實孿生體[15]。通過離散系統(tǒng)仿真對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行精確的仿真分析，驗證設(shè)計方案的合理性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計的質(zhì)量和性能，縮短設(shè)計周期。數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計主要包含兩個內(nèi)容：（1）數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模。MBD技術(shù)為數(shù)字孿生建模提供了完善的信息載體。依靠MBD技術(shù)，使用數(shù)字化手段構(gòu)建滿足客戶需求和功能需求的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，可以精確地記錄飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的各種屬性參數(shù)，并以可視化的方式展示出來。（2）數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線仿真與驗證，在實際生產(chǎn)裝配線投產(chǎn)之前，通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真試驗，幫助設(shè)計人員盡可能了解飛機(jī)裝配生產(chǎn)線在實際運行中的狀態(tài)、性能等，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供可靠的參考數(shù)據(jù)[16]。此外，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線運行中，可以通過設(shè)計階段構(gòu)建的數(shù)字孿生模型對物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、產(chǎn)線的運行狀態(tài)與績效進(jìn)行可視化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行同步分析和優(yōu)化，從而不斷幫助裝配生產(chǎn)線提高產(chǎn)能、提升質(zhì)量、降低能耗，同時可以將運行結(jié)果反饋給設(shè)計階段，用于裝配生產(chǎn)線和工藝的持續(xù)改進(jìn)，最終形成閉環(huán)數(shù)字孿生。

圖1 傳統(tǒng)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計Fig.1 Design and planning process of traditional aircraft assembly line

數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法

1 設(shè)計流程

面向飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計的實際需求，本文在傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法。通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建符合實際生產(chǎn)中各類狀況的數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線模型，利用飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫支持?jǐn)?shù)字孿生的建模過程和仿真以提高設(shè)計效率，減少設(shè)計人員的工作量。在設(shè)計過程中，數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線可以提前對裝配線性能進(jìn)行仿真和驗證，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(jié)果中存在的缺陷。數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計過程主要包括3個階段：客戶需求與工藝分析、數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模、數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模仿真驗證，如圖2所示。

（1）客戶需求與工藝分析?？蛻粜枨笈c工藝分析是飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計第1階段。根據(jù)客戶需求，設(shè)計人員需要收集企業(yè)愿景、明確客戶需求、確定目標(biāo)計劃、初步擬定設(shè)計方案，包括生產(chǎn)線產(chǎn)量、車間布局信息、建設(shè)成本和產(chǎn)品質(zhì)量等，數(shù)字孿生技術(shù)能夠集成這些數(shù)據(jù)并可視化地表現(xiàn)出來，設(shè)計人員通過考慮相似的案例來計算建設(shè)成本和產(chǎn)量等，驗證是否滿足客戶需求，使客戶與設(shè)計人員之間的交流更加透明、快捷，從而驗證設(shè)計理念。

圖2 基于數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法Fig.2 Digital twin-based aircraft assembly line design method

（2）構(gòu)建數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，這一階段設(shè)計人員完成數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的構(gòu)建。設(shè)計人員在前一階段的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計知識來完成飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的初步規(guī)劃方案，根據(jù)規(guī)劃方案需要進(jìn)一步細(xì)化虛擬飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，包括人員行為、設(shè)備操作、物流配送等邏輯參數(shù)。由于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的動態(tài)變化，這些邏輯參數(shù)很難計算。研究人員通過利用設(shè)計知識庫中的相似案例來查詢這些邏輯參數(shù)，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以對邏輯參數(shù)的各種組合進(jìn)行驗證和選擇，可以為設(shè)計人員提供更合理的邏輯參數(shù)組合，幫助設(shè)計人員做出更準(zhǔn)確的設(shè)計決策。

（3）仿真與驗證。通過驗證是為了減少實際運行狀態(tài)與預(yù)期的運行狀態(tài)之間的不一致性，使飛機(jī)裝配生產(chǎn)線投產(chǎn)運行后盡可能與預(yù)期運行一致[17]。通過上一階段構(gòu)建的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線可以模擬裝配線運行過程和物流控制策略，設(shè)計人員能夠得到符合實際裝配運行的裝配線產(chǎn)能、站位的工作能力、物流存儲運輸?shù)葦?shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計知識判斷生產(chǎn)線平衡性、裝配站位的瓶頸、設(shè)備利用率等指標(biāo)。由于數(shù)字孿生技術(shù)的高保真性和靈活性，不僅可以得到傳統(tǒng)的仿真結(jié)果，還可以確認(rèn)設(shè)備之間是否存在空間干涉，物料運輸路線是否合理。最終促進(jìn)設(shè)計方案的迭代優(yōu)化，滿足設(shè)備利用率、物流順暢等多方面要求。

在數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計過程中，設(shè)計方案會不斷改進(jìn)和細(xì)化，因此數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線也會隨著設(shè)計方案的變化而變化。為了保證數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的高保真性，需要建立復(fù)雜的數(shù)字孿生模型（如設(shè)備、人員）模型，導(dǎo)致建模時間長和工作量大。此外，為了確保數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線盡可能符合真實的環(huán)境，需要真實的運行參數(shù)來對數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的仿真邏輯進(jìn)行構(gòu)建。為了解決上述問題，通過對歷史案例、模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，構(gòu)建飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫，以便能夠支持?jǐn)?shù)字孿生的構(gòu)建和應(yīng)用。

2 設(shè)計知識庫構(gòu)建

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計僅僅依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和手工演算，難以全面保證設(shè)計方案的優(yōu)化，且缺乏相關(guān)科學(xué)的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐。通過總結(jié)和整理已有的設(shè)計案例、MBD 資源模型等數(shù)據(jù)，形成可參考的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫，為數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計提供了有力的支持，大大提高數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模和仿真分析的效率，從而提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。

圖3 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫結(jié)構(gòu)Fig.3 Aircraft assembly line design knowledge library structure

為了實現(xiàn)知識的重用，需要建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫。通過對已有設(shè)計案例進(jìn)行分析，將相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行分類，構(gòu)建設(shè)計知識庫的體系結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行知識的標(biāo)準(zhǔn)化。通過分析，將飛機(jī)裝配裝生產(chǎn)線設(shè)計知識庫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下劃分，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫主要包括3類：仿真邏輯、MBD設(shè)計資源和設(shè)計實例，知識庫為飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計全周期提供支持。設(shè)計人員利用知識庫查詢相關(guān)設(shè)計知識，在這些參考知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可以盡量避免裝配生產(chǎn)線設(shè)計過程中的缺陷，提高構(gòu)建數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的效率。

3 基于知識庫的建模與驗證

根據(jù)客戶的需求和對產(chǎn)品工藝的分析，確定需要查詢的內(nèi)容，在知識庫中進(jìn)行查詢，相同的幾何模型可以直接重用，相似的模型則需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整應(yīng)用，幾何模型主要包括建筑模型、設(shè)備模型、工裝模型、物料模型、人員模型等實體模型。然而，基于幾何模型對實際的裝配生產(chǎn)線運行缺乏行為、規(guī)則等進(jìn)一步刻畫，因此需要構(gòu)建邏輯模型以確保數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線能夠符合實際生產(chǎn)中的人員操作情況、設(shè)備運行狀況等各類情況。最后，將幾何模型和邏輯模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)、組合與集成，從而形成高保真的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，如圖4所示。在數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可以選擇不同的知識，分析仿真結(jié)果。基于相關(guān)知識，可以挖掘隱藏于數(shù)據(jù)中的瓶頸問題，這樣能夠使設(shè)計人員更及時地發(fā)現(xiàn)問題，并利用推薦的相關(guān)知識幫助完成驗證和優(yōu)化，節(jié)約設(shè)計的時間和工作量。

應(yīng)用驗證

本文針對某飛機(jī)主機(jī)制造企業(yè)承擔(dān)的某型飛機(jī)中機(jī)身部件裝配任務(wù)，面向中機(jī)身部件裝配生產(chǎn)線的設(shè)計需求，以Teamcenter 軟件和Tecnomatix 軟件為工具，建立了相關(guān)的設(shè)計知識庫，構(gòu)建數(shù)字孿生中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，并通過仿真驗證分析提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中存在的問題，有效節(jié)約設(shè)計時間及成本，在飛機(jī)中機(jī)身裝配線建成運行后，基于數(shù)字孿生中機(jī)身裝配生產(chǎn)線模型可以實現(xiàn)生產(chǎn)線實際運行過程的分析優(yōu)化，驗證了數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法的有效性。

1 應(yīng)用背景

隨著民用客機(jī)市場需求的不斷升級，某飛機(jī)主機(jī)制造企業(yè)面向新承擔(dān)的型號任務(wù)，原有裝配生產(chǎn)線產(chǎn)能已不能滿足制造需求。因此，需要設(shè)計建立全新的某型飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，并滿足生產(chǎn)高效率、低生產(chǎn)成本等要求，以提升企業(yè)的競爭力。中機(jī)身是某型飛機(jī)的重要組成部分，處于機(jī)身中部與機(jī)翼交匯處，是飛機(jī)重要的受力部件。在中機(jī)身裝配生產(chǎn)線中包括中機(jī)身頂部壁板、左右側(cè)壁板（含應(yīng)急門框）、左右側(cè)下壁板、機(jī)身36框、客艙地板、龍骨梁等部件的裝配。通過對以上部件的工藝分析，將中機(jī)身裝配生產(chǎn)線劃分為9個裝配站位，分別是底壁板裝配站、側(cè)壁板裝配站、頂壁板裝配站、龍骨梁裝配站、地板裝配站、機(jī)身框裝配站、應(yīng)急門框裝配站、中機(jī)身總裝站、中機(jī)身架外裝配站[18]，中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的裝配站位分配如圖5所示。

圖4 基于設(shè)計知識庫的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計Fig.4 Design knowledge library-based digital aircraft assembly line design

2 基于客戶需求分析的初始設(shè)計方案

通過對客戶需求和產(chǎn)品工藝進(jìn)行分析，設(shè)計人員按照每個裝配站位部件選擇所需的工裝和設(shè)備，并且對每個站位之間的物流關(guān)系進(jìn)行分析和統(tǒng)計。利用飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫中相關(guān)知識，借助數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)站位布局、緩存區(qū)布局、設(shè)備需求、生產(chǎn)節(jié)拍和在制品成本等參數(shù)的快速規(guī)劃，部分初始設(shè)計結(jié)果如圖6所示。

3 數(shù)字孿生驅(qū)動的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模與仿真

基于初始設(shè)計結(jié)果建立數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，利用知識庫中已有的資源模型直接重用，對缺少的資源模型使用NX和Tecnomatix 軟件完成建模，所得到的全部資源模型再按照模塊組合規(guī)則形成中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的幾何模型。獲得中機(jī)身裝配生產(chǎn)線幾何模型后，設(shè)計人員會根據(jù)需求將運行所需的邏輯設(shè)置到幾何模型中，本文主要從以下方面定義運行邏輯：對于虛擬化的人員，從操作層面對人的動作進(jìn)行規(guī)范，如在某個站位的某個設(shè)備處，采用某種姿勢裝配某個部件。對于固定設(shè)備，則通過根據(jù)廠家提供的操作說明對其操作、狀態(tài)進(jìn)行總結(jié)分類，建立運行規(guī)則，同時還要考慮到設(shè)備的故障、維護(hù)等特殊情況。對于物流設(shè)備，主要體現(xiàn)在各個站位模型之間的物流關(guān)系，吊車、小車的工作路徑及運行方式。數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線流程和界面如圖7所示。在數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，可得到裝配生產(chǎn)線中各個裝配站位的工作數(shù)據(jù)，整個裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、物料的流動情況等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)計人員通過相關(guān)知識分析可以得到設(shè)備利用情況是否合理、裝配線產(chǎn)能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)等問題，從而對發(fā)現(xiàn)的瓶頸進(jìn)行分析和優(yōu)化，使設(shè)計方案更為可靠。

圖5 某型飛機(jī)中機(jī)身裝配工藝流程Fig.5 Middle fuselage assembly process

圖6 基于客戶需求和工藝分析的初始設(shè)計結(jié)果Fig.6 Initial design result based on customer demand and process analysis

4 數(shù)字孿生驅(qū)動的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計分析

利用數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，可以對生產(chǎn)線產(chǎn)能、裝配站位利用率、裝配生產(chǎn)線瓶頸等進(jìn)行量化的仿真分析，如圖8顯示了裝配站位利用率。其中圖8（a）表示了優(yōu)化前的站位利用率。這些站位的最低利用率是34.52%，最高利用率為68.59%，平均利用率為47.46%，如表1所示。從數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)的動態(tài)過程來看，9個站位使用初期的利用率不是很低，但是經(jīng)過一段時間的模擬，站位利用率逐漸減少，造成了嚴(yán)重的堵塞，其中利用率最高的站位（站位8）會成為瓶頸點。

圖7 數(shù)字孿生驅(qū)動的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模與仿真Fig.7 Digital twin-driven middle fuselage assembly line modeling and simulation

圖8 優(yōu)化前和優(yōu)化后的站位利用率對比Fig.8 Comparison of station utilization before and after optimization

圖9 數(shù)字孿生驅(qū)動中機(jī)身裝配生產(chǎn)線運行Fig.9 Digital twin-driven operation of the middle fuselage assembly line

基于數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)堵塞原因是站位1～7的裝配周期與站位8和9的裝配周期相差較大；站位1～7的固定工裝數(shù)量較少；站位1～7的物流配送量遠(yuǎn)小于站位8的物流配送量，需要對站位8進(jìn)行提前配送。這就導(dǎo)致在有限的緩沖區(qū)容量下，會造成裝配周期短的站位產(chǎn)能過剩，存在過多的阻塞時間。根據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計人員對運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（如調(diào)整生產(chǎn)班次制度、優(yōu)化物料配送方案），對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)果如表1所示，中機(jī)身年產(chǎn)量在優(yōu)化后由24架/年增加到26架/年，裝配生產(chǎn)線平衡率提升了6.63%；優(yōu)化后的站位平均利用率為54.42%，比優(yōu)化前的站位平均利用率增加了6.96%，每個站位之間的利用率變得更加均衡；優(yōu)化后的物流運轉(zhuǎn)總時間更低，表明阻塞率變低，阻塞時間大幅度減少。因此，數(shù)字孿生技術(shù)幫助設(shè)計人員可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段的隱藏問題，提前找到合適的優(yōu)化方案，并且有效提升了裝配生產(chǎn)線的性能。

表1 中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計優(yōu)化前后性能指標(biāo)對比Table1 Comparison of performance indicators before and after optimization of mid-airframe assembly line design

目前，該中機(jī)身裝配生產(chǎn)線處于設(shè)計階段，主要是將客戶設(shè)計需求通過數(shù)字孿生技術(shù)以虛擬化的方式表現(xiàn)出來，幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試所設(shè)計的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線。在未來的裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)運行階段，根據(jù)設(shè)計階段產(chǎn)生的數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，將數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線與物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過對物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線運行的不斷擬合，實現(xiàn)數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的實時、精確模擬。基于物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線采集的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的仿真模型對物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線未來運行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，對生產(chǎn)線現(xiàn)場的資源配置、物流調(diào)度、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)等提供動態(tài)的優(yōu)化決策，如圖9所示，并且在設(shè)計知識庫的支持下，能夠更加靈活地利用已有知識構(gòu)建和調(diào)整數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，可以減少大量的模型開發(fā)時間，使數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線能夠更靈活地響應(yīng)物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線。

結(jié)論

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計主要取決于設(shè)計人員的經(jīng)驗和技能水平，通常難以定量準(zhǔn)確、可視化地進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計分析。引入數(shù)字孿生技術(shù)可以有效幫助設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的潛在問題，并建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計與運行的交互環(huán)境和載體，對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行實時、精確的仿真分析，從而提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計的質(zhì)量和性能。本文通過分析飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計中存在的問題，提出數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法，構(gòu)建飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計知識庫以支持?jǐn)?shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計，可以有效節(jié)約設(shè)計周期和工作量。通過將數(shù)字孿生驅(qū)動的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計方法在某型飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計中的實際應(yīng)用驗證，及時發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中工作流程、物流及布局等方面存在的問題，并依據(jù)數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、站位利用率、裝配生產(chǎn)線瓶頸等定量仿真分析，進(jìn)行了生產(chǎn)線的優(yōu)化，提高了設(shè)計方案的質(zhì)量和性能。